中國儲能網(wǎng)訊：針對薄膜行業(yè)對電壓暫降治理裝置的需求，本文介紹了超級電容儲能型直流支撐裝置的工作原理，以及主電路和控制系統(tǒng)設(shè)計。超級電容儲能型直流支撐裝置可以解決困擾薄膜企業(yè)因暫降導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)的問題，滿足薄膜行業(yè)連續(xù)生產(chǎn)的要求。
隨著高比例新能源的大量接入，電力系統(tǒng)的抗擾動能力大幅度下降，電能質(zhì)量問題愈發(fā)嚴(yán)重，電壓暫降問題已經(jīng)成為世界主要電能質(zhì)量問題。據(jù)美國 EPRI 報道：92%以上的電能質(zhì)量事件為電壓暫降和暫升。我國海南省也對電壓暫降進(jìn)行了統(tǒng)計，5個城市，17個變電站共記錄 2786 條暫降，其中具有危害性的電壓暫降約占電壓暫降總數(shù)的10%左右，平均每個變電站17次危害性電壓暫降。電壓暫降已經(jīng)嚴(yán)重影響了高精度、連續(xù)運行產(chǎn)線的經(jīng)濟(jì)效益。截止目前，直流電壓支撐裝置已經(jīng)在制氫工業(yè)、石油石化、發(fā)電行業(yè)有了大量應(yīng)用。
工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計
BOPET薄膜生產(chǎn)線采用大量變頻器連續(xù)調(diào)速實現(xiàn)工藝要求。其生產(chǎn)工藝各個流程均需要變頻器的參與，變頻調(diào)速系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，其結(jié)構(gòu)常采用共直流母線的方式。
圖1 共直流母線變頻調(diào)速系統(tǒng)電路
共直流母線方案與傳統(tǒng)單機(jī)方案相比具有吸收回饋能量，節(jié)能降耗，減小設(shè)備配線開關(guān)和柜內(nèi)開關(guān)的優(yōu)點。缺點是當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生電壓暫降時，由于系統(tǒng)耗能大，直流母線下降快，很容易觸發(fā)變頻器低電壓報警。由于薄膜生產(chǎn)具有連續(xù)性的特點，需要進(jìn)行縱向拉伸（MDO）和橫向拉伸（TDO）以及收卷分切的工藝，對變頻器的工作精度和可靠性要求相當(dāng)高。以縱拉工藝為例，縱向拉伸比（指快拉輥與慢拉輥線速度之比）的大小將會影響薄膜的縱向機(jī)械性能。在一定的拉伸溫度和拉伸比的條件下拉伸比越大，PET分子的取向則越大，于是薄膜的縱向拉伸強(qiáng)度提高，斷裂伸長率降低，沖擊強(qiáng)度、透明度和透氣性變佳。但是，拉伸比過大，結(jié)晶度、取向度過大，會增加薄膜橫拉時的破膜率。普通聚酯薄膜的拉伸信數(shù)一般為 3.3-3.5 倍，強(qiáng)化膜的拉伸倍數(shù)可達(dá)4倍左右。
電壓暫降導(dǎo)致變頻器低電壓故障時，將造成整卷的薄膜報廢，造成嚴(yán)重的生產(chǎn)損失。以某光學(xué)薄膜廠為例，一次電壓暫降將造成 15 萬元的損失。因此對薄膜行業(yè)電壓暫降治理顯得尤為重要。
針對具有共直流母線的變頻調(diào)速系統(tǒng)，可以采用加裝補償裝置的方式，一般采用不間斷電源系統(tǒng)(UPS)、動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器或動態(tài)電壓恢復(fù)器等補償裝置。其中 AVC 和 DVR 都是通過對交流系統(tǒng)進(jìn)行電壓補償來抑制電壓暫降的方式，串聯(lián)在電網(wǎng)和負(fù)載之間，其控制復(fù)雜、設(shè)備造價成本較高；由于 UPS 放電電流小，充電時間長，故其性價比較低。而超級電容儲能型直流支撐裝置就是可以彌補以上各種補償裝置的不足。圖2 為薄膜生產(chǎn)工藝現(xiàn)場圖。
圖2 薄膜生產(chǎn)工藝現(xiàn)場圖
如 圖3 所示，當(dāng)輸入到變頻器的交流市電發(fā)生電壓暫降或停電時，由直流支撐裝置進(jìn)行直流供電；待交流市電恢復(fù)正常后，變頻器的供電電源主動切換到交流市電供電。從而保證在整個市電發(fā)生暫降或停電過程中，變頻器不跳停，進(jìn)而保證負(fù)載安全可靠工作。直流電壓支撐裝置的工作運行模式可分為兩個工作過程：
運行模式 1：正常情況下，市電先經(jīng)過交流配電系統(tǒng)，再經(jīng)過變頻器后驅(qū)動電機(jī)正常運行。支撐裝置與變頻器的直流母線并聯(lián)，作為變頻器的直流在線備用電源。
運行模式 2：當(dāng)輸入到變頻器的交流市電發(fā)生暫降或停電時，變頻器的直流供電由支撐裝置毫秒切換至超級電容儲能系統(tǒng)提供；待交流電源恢復(fù)正常后，變頻器的供電主動切換到交流市電供電，支撐裝置進(jìn)入充電在線備份狀態(tài)。從而保證在整個市電發(fā)生晃電或停電過程中，變頻器不跳停，進(jìn)而保證負(fù)載安全可靠工作。
圖3 直流支撐裝置系統(tǒng)圖
如 圖3 所示，直流支撐裝置主要由輸入、輸出斷路器、熔斷器、AC/DC 充電單元、超級電容、 DC/DC 單元、控制系統(tǒng)和監(jiān)測單元等組成，與用戶的變頻器直流母線并聯(lián)。其中，為了獲得更高的性能和更小的尺寸，儲能器件使用了超級電容作為儲能介質(zhì)。超級電容是一種介于靜電電容器和電池之間的新型儲能元件，具有優(yōu)良的大電流充放電性能和大容量儲能性能。其具有電容密度和能量密度高、充放電快、壽命長、成本低等優(yōu)點，使得系統(tǒng)功率密度得到較大的提升。
